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25.5: Gastrulation
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Gastrulation
 
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25.5: Gastrulation

25.5: Gastrulation

Gastrulation establishes the three primary tissues of an embryo: the ectoderm, mesoderm, and endoderm. This developmental process relies on a series of intricate cellular movements, which in humans transforms a flat, “bilaminar disc” composed of two cell sheets into a three-tiered structure. In the resulting embryo, the endoderm serves as the bottom layer, and stacked directly above it is the intermediate mesoderm, and then the uppermost ectoderm. Respectively, these tissue strata will form components of the gastrointestinal, musculoskeletal and nervous systems, among other derivatives.

Comparing Gastrulation Across Species

Depending on the species, gastrulation is achieved in different ways. For example, early mouse embryos are uniquely shaped and appear as “funnels” rather than flat discs. Gastrulation thus produces a conical embryo, arranged with an inner ectoderm layer, outer endoderm, and the mesoderm sandwiched in between (similar to the layers of a sundae cone). Due to this distinct morphological feature of mice, some researchers study other models, like rabbit or chicken—both of which develop as flat structures—to gain insights into human development.

The Primitive Streak and the Node

One of the main morphological features of avian and mammalian gastrulation is the primitive streak, a groove that appears down the vertical center of the embryo, and through which cells migrate to establish the mesoderm and endoderm. At the tip of the streak lies another important structure, termed the node, which appears as a conical indentation. Cells that migrate through the node not only contribute to the muscles and connective tissues of the head but also form a transient mesodermal structure called the notochord (future spinal cord) which plays a key role in directing the development of certain neurons. In addition, the node also “organizes” development in the embryo, due to the signals it produces. For example, chordin and noggin proteins emanating from the node help to direct nearby ectoderm to form neural tissue. In fact, if a mouse node is removed and transplanted into another mouse embryo, it can partially generate a second neural axis, complete with neural folds.

Mapping Cell Movements and Fates

Since gastrulation relies on intricate cell movements to generate the three tissue layers, researchers have also tracked such migration by injecting cells of model organisms with dye and then culturing embryos. Paired with time-lapse microscopy, these techniques have revealed that in the chicken, epiblast cells are swept into the primitive streak by sweeping circular movements, and similar patterns of migration have been demonstrated in the rabbit. These techniques have also been extended to not only look at how cells shift during gastrulation, but also to track the tissue types that labeled cells will go on to form, generating detailed “fate maps” of early embryos.

La gastrilation établit les trois tissus primaires d’un embryon : l’ectoderm, le mésoderme et l’endoderme. Ce processus de développement repose sur une série de mouvements cellulaires complexes, qui chez l’homme transforme un plat, « disque bilaminar » composé de deux feuilles de cellules en une structure à trois niveaux. Dans l’embryon qui en résulte, l’endoderme sert de couche inférieure, et empilé directement au-dessus de lui est le mésoderme intermédiaire, puis l’ectoderme le plus haut. Respectivement, ces strates tissulaires formeront des composants des systèmes gastro-intestinal, musculo-squelettique et nerveux, entre autres dérivés.

Comparaison de la gastrulation entre les espèces

Selon l’espèce, la gastrulation est réalisée de différentes façons. Par exemple, les embryons de souris précoces sont de forme unique et apparaissent comme des « entonnoirs » plutôt que comme des disques plats. La gastrulation produit ainsi un embryon conique, disposé avec une couche d’ectoderme intérieure, endorderme externe, et le mésoderme pris en sandwich entre les deux (semblable aux couches d’un cône de sundae). En raison de cette caractéristique morphologique distincte des souris, certains chercheurs étudient d’autres modèles, comme le lapin ou le poulet, qui se développent tous deux comme structures plates, pour mieux comprendre le développement humain.

La strie primitive et le nœud

L’une des principales caractéristiques morphologiques de la gastrulation aviaire et mammifère est la strie primitive, une rainure qui apparaît au centre vertical de l’embryon, et à travers laquelle les cellules migrent pour établir le mésoderme et l’endoderme. À la pointe de la strie se trouve une autre structure importante, appelée le nœud, qui apparaît comme une indentation conique. Les cellules qui migrent à travers le nœud contribuent non seulement aux muscles et aux tissus conjonctifs de la tête, mais forment également une structure mésodermique transitoire appelée notochord (future moelle épinière) qui joue un rôle clé dans la direction du développement de certains neurones. En outre, le nœud « rgane » également le développement de l’embryon, en raison des signaux qu’il produit. Par exemple, les protéines de chordine et de noggin émanant du nœud aident à diriger l’ectoderme voisin pour former le tissu neural. En fait, si un nœud de souris est enlevé et transplanté dans un autre embryon de souris, il peut partiellement générer un deuxième axe neuronal, avec des plis neuronaux.

Cartographie des mouvements et des destins des cellules

Puisque la gastrulation repose sur des mouvements cellulaires complexes pour générer les trois couches de tissu, les chercheurs ont également suivi cette migration en injectant des cellules d’organismes modèles avec des embryons de colorant, puis en présentant des embryons. Associées à la microscopie en time-lapse, ces techniques ont révélé que chez le poulet, les cellules épiblastiques sont balayées dans la strie primitive par des mouvements circulaires radicaux, et des schémas similaires de migration ont été démontrés chez le lapin. Ces techniques ont également été étendues non seulement pour examiner comment les cellules se déplacent pendant la gastrulation, mais aussi pour suivre les types de tissus qui ont marqué les cellules vont continuer à se former, générant des « cartes du destin » détaillées des embryons précoces.


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